1、 目 录 1 引言 . 1 1.1 研究背景及意义 . 2 1.2 国内外研究现状及发展趋势 . 2 1.2.1 国内外研究现状 . 2 1.2.2 发展趋势 . 4 2 基本概念及原理 . 5 2.1 翼型结构基本概念 . 5 2.2 翼型空气动力学相关概念 . 7 2.3 风机叶片的特征分析 . 9 2.3.1 叶片受力分析 . 9 2.3.2 几何尺寸优化设计 . 10 3 叶片参数化建模的 UG 实现 . 10 3.1 UGNX 7.0 简介 . 10 3.2 实现方法 . 10 3.2.1 草图功能 . 11 3.2.2 关联性 . 12 3.2.3 用户自定义特征 . 12 3.3
2、 参数化特征建模 . 13 3.3.1 叶片坐标数据 . 13 3.3.2 绘制边界曲线 . 15 3.3.3 绘制各截面曲线 . 16 3.3.4 创建叶片曲面 . 19 3.3.5 叶片延伸 . 20 3.3.6 创建叶片实体 . 21 4 结论 . 23 参 考 文 献 . 24 致 谢 . 错误 !未定义书签。 附录 1 相关英文文献 . 错误 !未定义书签。 附录 2 英文文献译文 . 错误 !未定义书签。 摘 要 随着非可再生能源的过度消耗，风能 、 生物能等多种可再生资源日益被重视。风力发电是目前利用风能的主要形式，在多种可再生能源利用技术中比较成熟。 叶片是风机的关键部件，通常
3、采用分段截面拟合进行叶片体建模，在 UG 平台上对风机叶片进行参数化建模 ， 采用 叶片 数据 对叶片的截面进行参数化设计，应用 UG 图形的变换功能，确定各个截面的空间位置 ， 并在 UG 曲面造型模块中生成叶片的实体模型 。 完成叶片实体建模后，对叶片气动性能 ， 叶片的刚度 ， 强度和使用寿命等性能分析奠定了强有力的基础，为风机叶片的深层次研究打下基础。 关键词： 叶片； UG；建模 ABSTRACT With the excessive consumption of non-renewable energy, wind energy, biomass energy and other
4、renewable resources is gaining increasing attention. Wind power is currently the main form of wind energy utilization in a variety of renewable energy use of mature technology. The blades is an important part of ventilator. It is fitted with blades body by subsection. The method is for parametric mo
5、deling of ventilator blades in the UG platform. This paper shows section of blade design parameters by controlling thickness of the blade. Author uses UG graphics transformation function to determine the spatial location of each section. It generated solid model of the ventilator blades through the
6、curve group based on UG surface modeling capabilities, this may lay the foundation for modeling of the series ventilator. Key words： Blade;UG;Modeling 基于 UG 的风机叶片建模 1 引言 风力发电是当今可再生资源发电技术中最成熟，最具有大规模开发条件和商业化前景的发展方式 。 风力发电在我国已经成为继水电之后最重要的可再生能源，是近期发展的重点。风能资源由于具有可再生和无污染的特点，而越来越受到电力行业高度的重视 1 。 叶 片作为通风机的关键
7、部件 ， 在叶轮旋转时，叶片受到离心力和气流流动引起的压力 ， 叶片是风机主要受力部件 ， 必须保证其可靠性。这就要求设计者应用先进的 参数化建模方法 解决传统设计方无法解决的问题，如叶片有限元力分析、气动性能、叶片力学特性等。叶片的三维建模需要建立不同空间位置的截面 ， 这些截面的尺寸约束相同，参数化建模的最大优点是系统可以将尺寸约束作为特征参数保存起来，并且在以后建模中修改相关的尺寸得到新的图形。 当前，以 CAD/CAE/CAM 等计算机辅助工程技术发展为主线的先进制造技术，随着网络技术和电子计算机技术的普及，正在进一步向自动化、柔性化、集成方向发展 2 ，制造业的工业产品设计和制造正从
8、一个串行的流程逐步向并行的工程过渡，计算机辅助工程技术领域每一项新技术的应用，都会给产品生产提供更为先进的有效手段，同时潜移默化地改变着传统生产的流程 3 。 生产过程比较见图 1。 图 1 生产过程比较 1.1 研究背景及意义 随着环保呼声日益高涨和非可再生能源的过度消耗，风能、生物能等多种可再生资源日益被重视。风力发电是目前利用风能的主要形式，在多种可再生能源利用技术中比较成熟。风力发电有其自身独特的优越性，主要体现在以下五个方面： （ 1） 风能储量丰 富。据世界气象组织统计分析表明，地球近地层的风能总量约为 13000 亿 KW5 。如有 1%被有效利用，就可满足人类对能源的要求。我国
9、幅员辽阔，海岸线长，风力资源丰富，仅次于俄罗斯和美国，居世界第三位，据有关专家测算，我国风能理论开发总量为 32.26 亿 KW，实际可供开发量为 2.53亿 KW，居世界首位 。 （ 2） 风能是一种洁净的可再生自然资源。不存在燃煤、燃油的环境污染问题，不会引起温室效应，不存在核电放射性废料对人类的威胁。 （ 3） 风力发电厂装机规模灵活，建设周期短。既可以单台安装，又可多台安装，互不干扰；建设一般规模的风力发电厂，从基础设施，到安装投产，只需要半年到一年的时间，而火电、油电、核电约需 310 年的时间 6。 （ 4） 风力发电的经济性日益提高。和火电相比，不存在建厂房、运输、除灰等问题；和
10、水电相比，不存在筑坝 、 淹地、移民等问题。发电后折旧费和维护费外，不消耗燃料，无三废处理问题。其成本接近火电 ， 低于油电、核电 ，从综合经济效益看，具有较强的竞争力。 （ 5） 风力发电在新能源发电中技术最成熟。商品化机组单机容量达到 2MW，故障率已下降 5%以内 7， 是一种安全 、 可靠的能源利用方式。预计在本世纪，兆瓦级风力发电将占主导地位。 （ 6） 风力发电机分散安装，占地面积小。监控系统与塔架合为一体，加上箱式变压器其建筑面积为风电场总面积的 1%6 ， 其余广大土地仍可供农、林、牧使用。 1.2 国内外 研究现状 及发展 趋势 1.2.1 国内外研究现状 产品参数化建模技术
11、及其研究现状与产品实物逆向设计相对应的是基于产品需求参数的正向设计，其基础手段是计算机辅助设计技术。自 90 年代以后，计算机辅助设计技术进入了开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期，经过 20 多年的探索，已由单纯二维绘图向三维智能设计、物性分析、动态仿真方向发展，而参数化 （ Parametric） 设计正向变量化和 VGX（ Variational Geometry Extended，即超变量化 ） 方向发展，几何造型、曲面造型、实体造型等则向特征造型以及语义特征造型等方向发展。几何造型技术的充分应用，使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，大大提高了产品开发速度。 参数化设计
12、（也即尺寸驱动 Dimension-Driven）即是在这样的实际应用需求中提出的，也是目前正在探讨的课题。参数化设计通过参数驱动机制对图形数据进行操作，解决在特定情况或全约束条件下结构形式比较定型的设计问题，参数与设计对象的控制尺寸之间有显式的对应关系，约束求解比较简单。如打算修改零件形状时，只需编辑一下尺寸的数值即可实现 形状上的改变。其主要技术特点是：基于特征、全尺寸约束、尺寸驱动设计修改、全数据相关。尺寸驱动已经成为当今造型系统的基本功能，无此功能的造型系统已无法生存。 参数化与变量化相比较，参数化系统特别适用于那些技术已相当稳定成熟的零配件行业，零件形状基本固定，且改变很少，通常只需
13、采用类比设计，即只需改变一些关键尺寸就可以得到新的系列化设计结果。而变量化系统除了适合一般的系列化零件设计以外，在进行概念设计时特别得心应手，比较适用于新产品开发、老产品改形设计这类创新式设计。 目前参数化技术可以大致分为以下几种方法： （ 1） 基于几何约束的数学方法。数学方法又分为初等方法 （ Primary Approach）和代数方法 （ Algebraic Approach） 。初等方法利用预先设定的算法，求解一些特定的几何约束。这种方法简单、易于实现，但仅适用于只有水平和垂直方向约束的场合；代数法则将几何约束转变为一系列以特征点为变元的非线性方程组，对于给定的约束，通过数值方法解非
14、线性方程组 。 一次解出所有特征点的坐标值，确定出几何细节，但该方程组求解较困难，实际应用受到限制。 （ 2） 基于几何原理的人工智能方法。人工智能的发展，促进了参数化设计方 法的发展，产生了几何推理法。这种方法又有两个方面：一是建立在专家系统的基础上，对图形中的几何关系和约束进行理解，运用几何原理推导出新的约束，这种方法可检验几何约束模型的合理性并能处理局部修改，但系统庞大，对递归约束无法处理。二是扩展现有的数据结构，使其包含拓扑信息，并通过程序实现从几何约束到几何细节的推理。 （ 3） 基于特征模型的造型方法。特征造型方法是三维实体造型技术的发展，特征是作为捕捉设计者意图的方式而提出的，以
15、取代用直线、圆弧、圆等基本几何元素构图的方式。特征实体具有一定的 优点 ，它们不但具有明确的工艺 特征结构，而且能始终记忆自己的功能属性和与其它相关实体的适应关系。修改某一特征实体，会自动引起整个设计模型的相关变化，其中包括实体本身的物理量（如质心和惯性矩等数据）的变化。例如，孔特征会始终记忆自己当前的形状、位置和负体积特征，机械设计师能利用自己熟悉的工艺特征（如孔、倒角、倒圆等），而非纯几何意义上的体素来组织设计意图，使设计变得容易。 （ 4） 基于关系的建模方法。以关系型数据结构构造参数化模型是德国西门子公司首先提出来的。在系统内，关系可建立在所在系统能识别的对象之间，也可在任意大的模型中
16、建立任意复杂的 关系模型，这种关系的建立过程是以符合设计师设计习惯的、非常简便自然的方式进行的。关系模型的建立能方便地进行修改以适应不同用户的特殊要求，从而大大提高设计速度。 苏高峰等的 UG环境下叶片曲面参数分析 7，江志林等 基于 UG 的液力变距器叶片参数化设计 8，马静等的轴流风机机翼型叶片参数化建模方法 9，李群等的基于 UG 的发动机整体叶轮三维造型研究 10 ，充分运用了 CAD 几何建模技术，由于叶轮形状的特殊性，均着力采用了参数化特征建模方法，使叶轮产品的建模设计更加迅捷。 1.2.2 发展趋势 当今制造业的产品设计依靠建模技术的发展，也已经逐渐从 2D转移到 3D，三维 C
17、AD 不仅仅是二维 CAD 的升级，还包含装配模拟及检验，以及外围的 CAE和 CAM 等辅助功能，使建模过程始终与最终产品紧密相关，让设计过程进入全新的境界，彻底改变了设计人员的设计习惯，大幅度的提高了设计速度和设计质量，蕴含着强大的生命力，不仅广泛应用于航空航天、汽车、造船、机械、建筑和电子等行业，而且在类似叶轮的复杂零件的造型技术方面也有许多研究和应用。 参数化 /变量化设计与特征造型技术相结合是目前三维实体造型技术的发展，基于特征的参数化建 模方法已成为国际标准 STEP 的集成产品信息模型（ IPIM）的核心，现在许多著名的 CAD 系统，如 UGNX、 I DEAS、 Pro-E
18、等均具有参数化特征设计功能。 2 基本概念及原理 叶片由上下两个半壳组成 ， 并且有两个单向梁帽和两个多向的由夹层构成的抗剪腹板组成的梁作为结构支撑。 2.1 翼型结构基本概念 翼型的气动性能直接与翼型外形有关。图 2 所示在风轮半径为 r 处取宽度为r 的叶素。通常，翼型外形由下列几何参数决定。 （ 1） 翼的前缘 A：翼的头部 A 为圆头； （ 2） 翼的后缘 B：翼的尾部 B 为尖形； （ 3） 翼弦 C：翼的前缘 A 与后缘 B 的连线称为翼的弦， AB 的长度是翼的弦长 C； （ 4） 中弧线：翼型内切圆圆心的连线中心为中弧线，对称翼型中弧线与翼弦重合； （ 5） 翼的上表面 Upp
19、er：翼弦上面的弧面； （ 6） 翼的下表面 Lower：翼弦下面的弧面； （ 7） 叶片安装角 ：风轮旋转平面与翼弦所成的角，又称扭转角、倾角、节距角； （ 8） 攻角 ：翼弦与相对风速所成的角，又称迎角； （ 9） 来流角 ：旋转平面与相对风速所成的角，又称相对风向角； （ 10） 最大厚度 t 及最大厚度 t ： 采用如图 2 所示的直角坐标系， X 轴与翼弦重合， Y 轴过前缘点 A 且垂直向上。在 X 轴上方的弧线为上翼面，以 v 表示；下方的弧线为下翼面，以 ()Lyx表示。对应同一 x 坐标的上下翼点距为翼型的高度，以 t 表示，见图 3。 厚度 t 随 x的变化称为厚度分布，以
20、 ()tx 表示 。 )()()( xyxyxt LU (1) 当 cxx 时， max()ct x t 称最大厚度，以 t 表示 ； ( ) /ct t x C 称为最大相对厚度， cx 为最大厚度位置，其无量纲为 /ccx x C 。通常，翼型的相对厚度即指最大相对厚度，以 t 表示。 （ 11） 弯度与弯度分布 ： 翼型中弧线和翼弦间的高度称为翼型的弯度，弧高沿翼弦的变化称为弯度分布，以 ()fxy 表示： )()(21)( xyxyxy LUf (2) 当 fxx ， max()f f fy x y 称为最大弯度，以 f 表示 ： /f f C 称为最大相对弯度，fx 为最大弯度位置，
21、其无量纲为 xL 。同样，通常翼型的相对弯度指最大相对弯LF F空 气 总 动 力叶 片 弦 线 安 装 角风 轮 旋 转 平 面叶 片 线 速 度来 流 角C DFDv风 速图 2 翼型的几何参数 上 翼 面下 翼 面xfx ()xL图 3 翼型的 结构示意图 2.2 翼型空气动力学相关概念 假定翼型处于静止状态，令空气以相同的相对速度吹向叶片时，作用在翼型上的气动力将不改变其大小。空气动力只取决于相对速度和攻角的大小 。 因此，为便于研究，均假定翼型静止处于均匀来流速度 v 中。 由于受翼型表面形状的干扰，作用在翼型表面上的空气压力是不均匀的。翼型的上表面压力低于周围气压，称为吸力面 ； 下表面压力则高于周围气压，称为压力面。由伯努利理论，翼型上表面的气流速度较高，下表面的气流速度则比来流低。因此，围绕翼型的流动可看成由两个不同的流动组合而成 （ 图 4） ，一个是将翼型置于均匀流场时围绕翼型的零升力流动 ； 另一个是空气环绕翼型表面的流动 。 图 4 气流围绕叶素的流动 为了表示压力沿表面的变化，可作翼型表面的垂线，用垂线的长度 pK 表示各部分压力的大小 （ 图 5） ： pK图 5 叶素上下表面压差图
